Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến lực cắt khi phay bằng dao phay ngón trên máy CNC

Trong ñó lực cắt ảnh có ảnh hưởng quyết ñịnh ñến nhiệt cắt, quá trình mòn dụng cụ do ñó ảnh hưởng ñến ñộ chính xác của quá trình gia công.. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI - Đề tài nhằm nghiên cứu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

VŨ THÀNH HƯNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN LỰC

CẮT KHI PHAY BẰNG DAO PHAY NGÓN TRÊN MÁY CNC

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Mã số: 60.52 04

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2010

Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

… *****…

Người hướng dẫn khoa học :TS LÊ CUNG

Phản biện 1: PGS.TS NGUYỄN VĂN YẾN Phản biện 2: PGS.TS PHẠM PHÚ LÝ

Luận văn sẽ ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp

thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng

Vào lúc 9 giờ, ngày 28 tháng 8 năm 2010

Có thể tìm hiểu luận văn tại:`

-Trung tâm Thông tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng

-Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong quá trình gia công có nhiều yếu tố ảnh hưởng ñến chất

lượng bề mặt chi tiết gia công Trong ñó lực cắt ảnh có ảnh hưởng

quyết ñịnh ñến nhiệt cắt, quá trình mòn dụng cụ do ñó ảnh hưởng

ñến ñộ chính xác của quá trình gia công

Chính vì lý do nêu trên, tôi chọn ñề tài nghiên cứu:“NGHIÊN

CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN LỰC CẮT KHI PHAY

BẰNG DAO PHAY NGÓN TRÊN MÁY PHAY CNC”

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

- Đề tài nhằm nghiên cứu về ảnh hưởng của chế ñộ cắt tới

lực cắt với các ñiều kiện cắt gọt cụ thể thường gặp trong quá trình

phay bằng dao phay ngón trên máy phay CNC nhằm khai thác khả

năng công nghệ gia công bề mặt chi tiết trên máy phay CNC, ñóng

góp một phần nghiên cứu vào quá trình cắt gọt bằng dao phay ngón

trên máy phay CNC vào thực tiễn sản xuất cũng như trong công tác

ñào tạo cho ngành cắt gọt kim loại tại Trường Cao Đẳng Cấp Nghề

Cơ Giới

- Thiết kế và chế tạo mô hình một hệ thống ño lực cắt khi

phay bằng dao phay ngón

3 PHẠM VI VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Tìm hiểu về máy phay CNC Feeler 800 X 500 X 510 FV 800

Make Taiwan tại công ty cổ phần ROBOT TOSY

- Nghiên cứu lý thuyết về quá trình cắt gọt và chế ñộ cắt gọt kim

loại trong quá trình phay sử dụng dao phay ngón

- Nghiên cứu thiết kế chế tạo hình hệ thống ño lực cắt sinh ra

trong quá trình gia công dùng trong nghiên cứu, giảng dạy và học

tập

- Xây dựng phương trình mô tả ảnh hưởng của chế ñộ cắt khi

phay bằng dao phay ngón trong ñiều kiện cụ thể

Đề tài giới hạn ở việc nghiên cứu ảnh hưởng của chế ñộ cắt ñến lực cắt khi phay hở, sử dụng dao phay ngón bằng thép gió P18 trên vật liệu nhôm 6061 trong ñiều kiện không bôi trơn làm nguội

Chương 1-TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN VỀ LỰC CẮT TRONG GIA CÔNG CƠ

1.1.1 Đặt vấn ñề

Trong quá trình cắt kim loại, ñể tách ñược phoi và thắng

ñược ma sát cần phải có lực Lực sinh ra trong quá trình cắt là ñộng

lực cần thiết nhằm thực hiện quá trình biến dạng và ma sát

Việc nghiên cứu lực cắt trong quá trình cắt kim loại có ý nghĩa cả lý thuyết lẫn thực tiễn Trong thực tế, những hiểu biết về lực cắt rất quan trọng ñể thiết kế dụng cụ cắt, ñồ gá, tính toán thiết kế máy móc thiết bị, Dưới tác dụng của lực và nhiệt, dụng cụ sẽ bị mòn, bị phá huỷ Muồn hiểu ñược quy luật mài mòn và phá huỷ dao thì phải hiểu ñược quy luật tác ñộng của lực cắt Muốn tính công tiêu hao khi cắt cần phải biết lực cắt Những hiểu biết lý thuyết về lực cắt tạo khả năng chính xác hoá lý thuyết quá trình cắt

1.1.2 Phân tích các thành phần lực cắt

1.1.2.1 Phân tích lực cắt theo các phương chuyển ñộng

(1.1)

Trên hình 1.1, trong trường hợp cắt tự do, ta có:

Pbd1= Pdh1+ Pd1

Pbd2= Pdh2+ Pd2

Pbd= Pbd1+ Pbd2

Fms= Fms1+ Fms2

P = P bd + Fms

Hệ thống lực cắt khi phay ñược mô tả trên hình 1.2 Lực cắt

tổng P ñược phân tích thành 3 thành phần theo 3 phương chuyển

ñộng v, s và t của chuyển ñộng cắt: tiếp tuyến, ngược với chuyển

ñộng chạy dao và hướng kính

Sau khi xác ñịnh ñược các lực thành phần Pv, Ps và Pt , thì

lực cắt tổng P ñược tính theo công thức:

→

→

→

→

+ +

=P v P s P t

P hay P= P2v+P2s+P2t

Đây là phương pháp phân tích lực cắt phổ biến nhất, bởi vì

phương các chuyển ñộng cắt là hoàn toàn xác ñịnh nên việc ño các

thành phần lực cắt ñược tiến hành dễ dàng

1.1.2.2 Phân tích lực cắt và ứng suất cắt theo các mặt chịu

tải

Khi nghiên cứu bản chất ñộng lực học của quá trình cắt kim

loại, lực cắt còn ñược phân tích thành các thành phần theo các mặt

chịu tải Khảo sát quá trình bào tự do, ta có sơ ñồ trên hình 1.3

Lực tổng: P= P +P (1.3)

(1.2)

Hình 1.2 Hệ thống lực cắt khi phay

Dựa vào lực cắt chính Pv và lực chạy dao Ps trong mô hình cắt tự do trên ñây xây dựng vòng tròn Thales, nhờ ñó ta vẽ và xác

ñịnh ñược các lực:

1.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN LỰC CẮT

Trong cắt gọt kim loại, yếu tố cắt gọt ảnh hưởng ñến ñộ lớn lực cắt có rất nhiều, ñể tiện khảo sát và nghiên cứu ta có thể phân chúng ra thành 3 nhóm:

1.2.1 Ảnh hưởng của chi tiết gia công ñến lực cắt

Thực nghiệm ghi nhận chi tiết gia công ảnh hưởng ñến lực cắt bởi các yếu tố sau:

kim loại của vật liệu, phương pháp chế tạo phôi…

1.2.2 Ảnh hưởng của ñiều kiện cắt ñến lực cắt

1.2.2.1.Ảnh hưởng của chiều sâu cắt t ñến lực cắt

Vì chiều rộng cắt b = t/sinϕ có ý nghĩa vật lý trong quá trình cắt nên ta sẽ khảo sát ảnh hưởng của b ñến lực cắt Pv

Hình1.3 Vòng tròn xác ñịnh lực trên các mặt chịu tải

. pv v

x

1.2.2.2 Ảnh hưởng của lượng chạy dao s ñến lực cắt

Bằng cách xử lý các số liệu ño ta có thể biểu diễn mối quan

hệ giữa lự cắt và a như sau:

Kết hợp cho thay ñổi ñồng thời chiều rộng cắt b và chiều dày

cắt a, mối quan hệ giữa lực cắt P và b, a ñược viết như sau:

loga

θ

Hình 1.5: Ảnh hưởng của chiều dày cắt a ñến

v

y

P = C a

chiều rộng cắt b

Pv

Hình 1.4: Ảnh hưởng của chiều rộng cắt b

p v p v v

P = C b a

Hoặc có thể viết theo s, t: ' p v p v

v

P = C t s

Trong ñó ta nhận thấy: x p y p

v > v 1.2.2.3Ảnh hưởng của tốc ñộ cắt v ñến lực cắt

Qua thực nghiệm ta thấy rằng: ở tốc ñộ cắt thấp mối quan hệ giữa tốc ñộ cắt v với lực cắt P rất phức tạp và khó xác ñịnh qui luật

1.2.3 Ảnh hưởng của dụng cụ cắt ñến lực cắt

Thực tế cho thấy vật liệu chế tạo dao và thông số hình học của dao có ảnh hưởng trực tiếp ñến lực cắt

Tổng hợp ta có thể lập ñược phương trình kinh nghiệm tính lực cắt như sau:

'

. p v. p v.

Tương tự ta cũng nhận ñược phương trình tính các thành phần lực Ps và Pt có dạng như trên

Các giá trị hằng số lực cắt Cp, các số mũ xp, yp và các hệ số

ñiều chỉnh K ñược cho trong các sổ tay tra cứu về cắt gọt

1.3 Các phương pháp xác ñịnh lực cắt

Để xác ñịnh lực cắt ta có thể dùng nhiều phương pháp sau:

1.3.1 Phương pháp ño trực tiếp lực cắt

Thiết bị ño lực cắt ñược chế tạo trên cơ sở nhiều nguyên lý khác nhau, ñó là: Theo nguyên lý cơ học, theo nguyên lý thuỷ khí,

theo hiệu ứng về ñiện, theo nguyên lý kiểu áp ñiện, theo nguyên lý

biến dạng dẻo

1.3.2 Phương pháp ño lực cắt thông qua ño công suất

Khi thực hiện việc cắt gọt thì công suất ño ñược từ ñộng cơ

sẽ bao gồm công suất cắt Nc và công suất chạy không Nck Ta có:

Nñc = Nc + Nck suy ra: N c =N dc−N ck =P v K v

Do vậy từ việc ño công suất ta có:

dc ck v

N N P

v K

−

=

1.3.3 Xác ñịnh lực cắt bằng phương pháp tính

Việc tính toán lực cắt nói chung ñược tiến hành theo 2 hướng:

1.3.3.1 Tính toán lực cắt bằng nghiên cứu lý thuyết

1.3.3.2 Tính toán lực cắt bằng công thức thực nghiệm

Dựa vào các kết quả thực nghiệm khi nghiên cứu về cắt gọt,

ta xây dựng nên các công thức tính toán lực cắt Công thức thực

nghiệm tính toán lực cắt cũng ñược thiết lập theo 2 phương pháp

a Phương pháp dựa vào lực cắt ñơn vị và diện tích tiết diện phoi cắt

b Phương pháp thiết lập công thức thực nghiệm dạng hàm mũ

Nhiều nhà nghiên cứu ñã ñề xuất công thức tính toán lực cắt

dưới dạng hàm mũ ñối với các yếu tố cắt gọt chính [6]:

P = C t s v K (1.42)

Trong ñó:Cp là hằng số lực cắt; xp, yp, zp là các số mũ; Kp là

hệ số ñiều chỉnh ñược xác ñịnh từ thực nghiệm cắt gọt

1.4 CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC LIÊN

QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI

CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐO LỰC CẮT

Hiện nay trên thị trường có nhiều loại cảm biến có thể dùng

ñể ño dịch chuyển và cảm biến ño lực Tuy nhiên, căn cứ vào tình hình thực tế về các loại cảm biến hiện có của công ty ROBOT TOSY nên tôi sử dụng cảm biến kiểu áp ñiện kiểu áp ñiện FC23

2.1 CẢM BIẾN ĐO LỰC KIỂU ÁP ĐIỆN FC23

2.1.1. Kích thước của cảm biến FC23 :

2.1.2 Các ñặc tính của thiết bị cảm biến FC 23 sử dụng trong phép ño

2.1.3 Đánh giá khả năng sử dụng của loại cảm biến FC 23 với

thí nghiệm ño lực cắt 2.1.4 Nguyên lý ño lực

Theo ñịnh luật cơ bản của ñộng lực học, lực ñược xác ñịnh bởi biểu thức:

Hình 2.1: Kích thước của cảm biến FC23

→

=M a

Trong ñó:

F - lực tác dụng (N)

M - khối lượng của vật (kg)

a - gia tốc của vật (m/s2)

2.1.5 Mô hình ñồ gá khi gia công

Các cảm biến lực FC23 vừa làm chức năng ñịnh vị và kẹp

chặt chi tiết, vừa làm chức năng ño lực Lúc ñầu tất cả các cảm biến

lực ñều chịu tác dụng một lực nén ñể kẹp chặt chi tiết và tổng các lực

tác dụng lên chi tiết cân bằng Khi tiến hành thực nghiệm các cảm

biến lực chịu tác dụng các lực nén khác nhau Hiệu số giữa các lực

tác dụng trước và sau khi tiến hành thực nghiệm chính là lực cắt sinh

ra trong quá trình gia công

Sensor

Sensor

Sensor

Sensor Sensor

Sensor

Hình 2.2 : Mô hình ñồ gá khi gia công

2.2 MẠCH THU NHẬN, ĐIỀU KHIỂN, KẾT NỐI MÁY TÍNH

2.2.1 Sơ ñồ khối ghép nối cảm biến dịch chuyển và cảm biến lực với máy tính

2.2.2. Bo mạch

Tính năng : 1 bo mạch có thể ñọc, xử lí tín hiệu và gửi lên PC giá trị của 3 cảm biến lực cùng một lúc

DAO

BỘ KHUYẾCH ĐẠI

BỘ LỌC

BỘ CHUYỂN ĐỔI A/D

XỬ LÝ SỐ MÁY

TRỤC CHÍNH

CHI TIẾT CẢM BIẾN

ĐO LỰC

Hình 2.3 : Sơ ñồ hệ thống ño lực cắt

Hình 2.4: Bo mạch

Hình 2.5 : Sơ ñồ khối thực hiện xử lí tín hiệu

2.2.3 Sơ ñồ khối thực hiện xử lí tín hiệu

2.2.4 Sơ ñồ mạch ñiện thực hiện các phép xử lí tín hiệu tương tự

a Hệ số khuếch ñại của tầng ñược tính theo công thức:

4 6

2

1 )

2 1

(

R

R R

R

b Tần số cắt của mạch lọc này ñược tính theo công thức :

2 1 9 8

2

1

C C R R

F c

×

×

×

× Π

×

c Tính toán các tham số cho mạch xử lí tín hiệu tượng tự :

Các giả thiết ñã có:

- Dải tín hiệu ñầu vào 0 – 100mV

- Dải tín hiệu ra : 0 – 5V

- Tần số lấy mẫu của mạch ADC 50Hz

d Tham số mạch khuếch ñại

Hình 2.6 :Sơ ñồ mạch ñiện

- Để ñảm bảo ánh xạ từ giữa ñầu vào và ñầu ra theo dải biến

ñổi ñã biết, ta chọn hệ số khuếch ñại là K = 50

- Giá trị này ñược ñảm bảo với 1 +

2 1

2

R R

× = 10 và

4

6

R

R

= 5

Nên ta chọn R1 = 6.8kΩ và R2 = 1.42kΩ với R2 ñược ñiều chỉnh bằng biến trở

R6 = 5kΩ và R4 = 1kΩ

e Mạch lọc :

số cắt của mạch ñược chọn bằng 2 lần tần số lấy mẫu của mạch biến

ñổi tương tự- số

Fc = 100Hz Nên ta chọn R8 = R9 = 12kΩ Và C1 = C2 = 0.1µF

f Khối mạch xử lí tín hiệu số

- Các chức năng biến ñổi tương tự-số, xử lí tín hiệu số và giao tiếp với máy tính ñược thực hiện một cách tích hợp trên vi ñiều khiển dsPIC4012 của hãng Microchip

2.2.5 Vi ñiều khiển 2.2.5.1 Cấu tạo của vi ñiều khiển dsPIC30F4012

Hình 2.7 : Cấu tạo của vi ñiều khiển dsPIC30F4012

2.2.5.2.Các tính năng của vi ñiều khiển dsPIC30F4012

a.Khối chuyển ñổi tương tự-số (ADC)

b.Khả năng xử lí số :

2.2.6 Điều khiển bằng máy tính

Việc giao tiếp giữa máy tính và thiết bị ngoại vi có thể giao tiếp bằng

3 cách

2.3.4.1 Giao tiếp bằng Slot-Card

2.3.4.2 Giao tiếp qua cổng song song (máy in)

2.3.4.3 Giao tiếp qua cổng nối tiếp (COM)

2.2.7 Công thức chuyển ñổi lực sang giá trị số

Từ các tham số của mạch tương tự cũng như mạch xử lí số

trên ta có thể xác ñịnh ñược hệ số biến ñổi tử lực sang giá trị số

theo sơ ñồ:

số của khối ADC

Ta có

A

F

V1

= 0.1 [mV/N];

1

2

V

V

= 50 ;

2

V

F d

= 1024/5 [gia tri/V]

=>

a

d

F

F

= 1.024[giá trị/N]

Hình 2.8 : Cấu trúc bên trong vi ñiều khiển dsPIC30F4012

2.3 PHẦN MỀM HIỂN THỊ VÀ LƯU GIỮ GIÁ TRỊ ĐO

2.3.1 Sơ lược về thực hiện giao tiếp giữa mạch ñiện và máy tính

2.3.2 Chương trình ño và hiển thị lực 3.4.2.1 Chương trình vi ñiều khiển

Sơ ñồ khối của chương trình:

3.4.2.2 Chương trình PC

Sơ ñồ khối :

Khởi tạo chương trình

ADC

Gửi dữ

Sai

Đúng

Hình 2.11 : Sơ ñồ khối của chương trình vi ñiều khiển

Hình 2.12 : Sơ ñồ khối của chương trình PC

Khởi tạo chương trình

Cổng COM nhận dữ liệu

Vẽ ñồ thị Sai

Đúng

Chươ ng 3 - NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ

LỰC CẮT KHI PHAY 3.1 KHÁI NIỆM VỀ QUI HOẠCH THỰC NGHIỆM

3.1.1 Khái niệm về qui hoạch thực nghiệm

Hình 2.15 : Quá trình thực nghiệm trên

mô hình ño lực cắt Hình 2.13 : Phần mền hiển thị ñồ thị lực

Đồ gá

Phôi

Cổng

Nguồn cung cấp

ñiện

Máy tính

Bo mạch Hình 2.14: Mô hình hệ thống ño lực

3.1.2 Thiết lập mô hình thí nghiệm

3.2 THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG ĐỒNG THỜI CỦA CÁC YẾU TỐ V, S, t ĐẾN LỰC CẮT KHI GIA CÔNG BẰNG DAO PHAY NGÓN TRÊN MÁY PHAY CNC

3.2.1 Điều kiện thực nghiệm

3.2.1.1 Máy công cụ và dụng cụ cắt

+ Loại máy : CNC Feeler 800 X 500 X 510 FV 800 Make

Taiwan

Hệ ñiều khiển : FANUC ; Công suất ñộng cơ chính : 11 kw

;Bước tiến dao diều chỉnh vô cấp ; Tốc ñộ máy ñiều chỉnh từ : 50÷8000 vòng/phút

+ Dao phay ngón Ø10 vật liệu bằng thép gió P18

Số răng Z=2

3.2.1.2 Vật liệu gia công : sử dụng loại nhôm 6061

Kích thước phôi : 70×70×60 mm

3.2.1.3 Chế ñộ cắt dùng khi thực nghiệm

Theo qui hoạch thực nghiệm ta chọn miền nghiên cứu thực nghiệm là :

Vmax = 78.5 (m/phút) Smax = 0.2 mm/vòng ;t max = 0.5 mm

Vmin = 62.8 (m/phút) Smin = 0.15 mm/vòng ;t min = 0.2 mm Các yếu tố Xi thực nghiệm là :

Mức trên : xi

(t)

= lnximax (3.4 ) Mức dưới : xi

(d)

= lnximin (3.5) Mức cơ sở : ( max min)

(0)

ln ln

2

1

xi = x i + x i (3.6)

Khoảng biến thiên : (ln max ln min)

2

1

i i

Bảng 3.2: tính toán mức, khoản biến thiên của các yếu tố

Mức trên 4.363098625 -1.609437912 -1

Mức dưới 4.139955073 -1.897119985 -1.60943791

Mức cơ sở 4.251526849 -1.753278949 -1.15129255

Khoảng biến

thiên

0.111571776 0.143841036 0.458145366

3.2.2 Kết qủa thực nghiệm

Bảng 3.3: kết quả thực nghiệm

TT Biến mã hóa Biến thực nghiệm Giá trị ño

x1 x2 x3 V

(m/phút)

S(mm/

vg)

t(mm) Px(N) Py(N)

1 1 1 1 78.5 0.200 0.5 25.66667 27.66667

2 -1 1 1 62.8 0.200 0.5 17.55556 51.66667

3 1 -1 1 78.5 0.150 0.5 4.11111 22.88889

4 -1 -1 1 62.8 0.150 0.5 5.11111 61.77778

5 1 1 -1 78.5 0.200 0.2 5.33333 25.66667

6 -1 1 -1 62.8 0.200 0.2 10.4444 33

7 1 -1 -1 78.5 0.150 0.2 6.22222 27.11111

8 -1 -1 -1 62.8 0.150 0.2 4.11111 30.22222

9 0 0 0 70.212 0.173 0.316 6.66667 47.77778

10 0 0 0 70.212 0.173 0.316 6.44444 46.33333

11 0 0 0 70.212 0.173 0.316 6.88888 46.11111

a Các kết quả ño ñược theo phương X :

Hợp lực của từng lần ño: Fxi = F14+ F23

→

→

→

(i=1÷11)

b Các kết quả ño ñược theo phương y : Hợp lực của từng lần ño :Fyi = F1+F2

→

→

→

(i=1÷11) Sau khi phân tích từng ñồ thị ño, tính trung bình cộng của các ñiểm cao nhất trong một khoảng của ñồ thị ta ñược giá trị của lực theo các phương và ñưa vào bảng (3.3)

3.2.3 Xử lý kết quả sau thực nghiệm

Nhiều nhà nghiên cứu [6], [10], [11] ñã ñề xuất công thức tính toán lực cắt dưới dạng hàm mũ ñối với các yếu tố cắt gọt chính :

p p

x

C

P =

Lấy logarit biểu thức P ta ñược:

ln P = ln Cp + xp ln v + yp ln s +zp ln t (3.10)

Đặt ln P = Y, a0 = ln Cp ; a1 = n1 ; a2 = n2 ; a3 = n3 ; X1 = ln v ; X2 =

ln s ; X3 = ln t

Ta ñược hàm tuyến tính Yu = a0 + a1x1 + a2x2 + a3x3 (3.13)

X =

























12 12 12

2 2 2

1 1 1

ln ln

ln 1

ln ln

ln 1

ln ln

ln 1

t s v

t s v

t s v

Ta có thể viết lại (1) như sau: